放大率3.3倍,發現細胞內天然生物放大鏡,可用於亞波長成像!


7月
22
2019

光學顯微鏡和鑷子可以在微尺度上成像和操縱物體,應用於細胞和分子生物學。然而,光學解析度受到衍射極限的限制,因此顯微鏡和鑷子都不能直接成像和操縱納米物體。等離子體/光子納米鏡和納米除濕器等新興技術的目標是實現納米尺度的解析度,但高折射率材料結構容易對納米尺度的生物特異性造成機械和光熱損傷。在發表在《光:科學與應用》上的一項研究中,中國納米光子學研究所的李玉超(音譯)及其同事開發了一種光學顯微鏡系統。

利用活細胞作為微型透鏡,對小於光波長的物體進行成像和操縱,研究展示了亞衍射極限成像和非侵入性設備對納米物體的操作,該設備是通過在纖維頂端捕獲一個細胞來構建。被捕獲的細胞在白光顯微鏡下形成了一個生物放大鏡,可以以100納米的解析度放大納米結構。研究人員利用生物放大鏡形成了一個納米光學陷阱,可以精確地操縱半徑為50納米的單個納米顆粒。該技術為無機械或光熱損傷的生物納米材料光學成像、傳感和組裝提供了一種高精度的工具。

光學成像技術在醫學診斷、生物傳感、細胞探索、分子訓練和材料組裝等領域具有重要的應用價值。鑷子和顯微鏡是對從幾納米到幾微米的微小樣品進行非接觸成像和操作的標準設備。然而,由於光學解析度被限制在照明波長的一半左右,在納米尺度上使用這項技術進行成像是具有挑戰性的。在過去的幾十年里,科學家們在近場納米鏡和納米除塵器方面取得了巨大進展,以實現納米解析度的光學成像。這些成像技術被用於製造的高指數無機材料(如貴金屬和半導體)所限制。

這些材料在近場成像和操作過程中會對生物細胞或組織樣本造成機械損傷。因此,科學家們研究了基於介電微球的更簡單光學成像方案,以克服傳統顯微鏡常見的衍射極限。這種微球是基於二氧化矽(SiO2)、二氧化鈦(TiO2)和鈦酸鋇(BaTiO3)等人工無機材料製成。因此,研究人員對開發一種天然生物材料感興趣,以構建一種生物兼容設備,用於納米級空間解析度的生物成像、操作和生物放大鏡。研究人員選擇了生物細胞替代微球,因為細胞在與生物系統接觸時既豐富又具有生物相容性。

例如,科學家可以利用活細胞在生物環境中操縱光,並充當光流微透鏡、光學探針。大腸桿菌作為生物光子波導。在本研究中,利用半浸在介質中的球形增強活細胞指數對比度,實現亞波長聚焦。科學家們用亞衍射光斑捕捉生物圖像,用白光顯微鏡照射目標樣品。該納米尺寸的光斑施加了強大的光學梯度力來捕獲和操縱單個納米顆粒,使生物放大鏡也能發揮光學納米除塵器的功能。科學家們在反射模式光學顯微鏡下進行了所有實驗,該顯微鏡與電荷耦合器件(CCD)相機和物鏡相耦合。

分別使用390 nm、560 nm和808

nm的光源進行激發、照明和捕獲。使用尖端呈錐形的光纖,將生物放大鏡固定在光纖的末端,通過微操作器移動尖端來控制生物放大鏡,選擇了光滑的球形細胞來減小像差,並注意到細胞在半浸溶液中可以表現出更好的聚焦性能,從而保持細胞的活力。在實驗成像過程中,科學家們將一個半浸式生物放大鏡置於測試樣本之上,並從樣本中收集潛在的近場信息,形成一個光學顯微鏡檢測到的虛擬圖像。利用細菌、酵母、紅細胞和幹細胞等多種細胞製備了多種生物放大鏡。

在第一個成像樣品中,研究人員使用了一個直徑為200納米的二維六角形二氧化矽納米球陣列,並使用了光熱技術。在成像過程中,只有表面有生物放大鏡的納米球才能被分辨出來,而沒有生物放大鏡的納米球則無法在傳統顯微鏡下被分辨出來。基於幹細胞生物放大鏡的放大係數M被確定為3.3倍(x3.3),科學家們發現實驗的M取決於生物放大鏡直徑。隨後,研究人員使用該直徑的生物放大鏡進行了更多實驗,為了研究生物放大鏡的應用,通過在鏡像底物上生長上皮細胞。

在光照和反射光干擾下增強光與物質的相互作用,將人上皮細胞成像為成像目標。雖然在傳統光學顯微鏡下很難分辨纖維細胞骨架和雙層結構,但在上皮細胞上放置生物放大鏡後,科學家們能夠分辨出這兩種結構。為了提高成像視野(FOV),將生物放大鏡固定在纖維頂端,移動它來掃描樣本。例如,使用該裝置掃描了代表暨南大學jnu首字母縮寫的納米顆粒字母,首先使用電子束光刻技術在矽上創建了jnu。然後,當它們同時通過物鏡照射生物放大鏡上的近紅外(IR)和紫外雷射束時,可以捕獲並激發納米粒子。

在這些實驗中,科學家們使用了平均半徑為50納米的螢光納米顆粒。當將單個納米顆粒捕獲在生物放大鏡的焦點上時,觀察了感興趣樣品的光學和螢光圖像。研究人員使用標準光鑷實時計算了粒子的俘獲剛度。在沒有接觸的情況下精確地通過光學操縱單個納米顆粒的能力,將有助於組裝調控良好的納米結構。利用三維模擬和COMSOL軟體對生物放大鏡的成像機理和捕獲剛度進行了數值研究。觀察到亞衍射極限光聚焦能力是由「光子納米射流」效應和鏡面相干干涉增強共同作用的結果。

與折射率均勻的介質微球相比,該方法局限性包括由於天然生物放大鏡細胞內結構不均勻造成的成像畸變和畸變。幸運的是,細胞內的物質對可見光和近紅外光是透明的,單個細胞內的光相互作用相對較弱。細胞內的活動也可以改變細胞內部分折射率分布,在捕獲和成像過程中引起光的畸變,但細胞活動大多是超快的,不影響成像。科學家們設想,活體生物放大鏡將為生物異常材料的超解析度成像、實時傳感和精確納米組裝帶來新的機遇,從而形成令人感興趣的納米結構。


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